WO2022064084A1 - Método para la corrección de errores de medición causados por la intensidad de precipitación en pluviómetros de cazoletas basculantes - Google Patents
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- G01W1/14—Rainfall or precipitation gauges
Definitions
- This method is related to the equipment manufacturing and monitoring sector, referring to climate and environmental issues.
- Precipitation measurement is of interest in many fields, such as agriculture, irrigation, climate change, geological hazard, hydrological monitoring, flood early warning and prevention, food security, environmental assessment and management, of water resources, design of structures, airport management, calibration and implementation of multiple methods for accurate measurement of the amount of rain in different areas, among others. Therefore, throughout history, different devices and techniques have emerged aimed at measuring it.
- the ultrasonic rain gauge the float-type rain gauge, the weighing rain gauge, the siphon rain recorder, the dendrometer, in addition to radar and remote sensing technologies, among others.
- the tipping bucket rain gauge stands out as one of the most used and widespread, mainly due to its ease of production, its low cost and its low energy consumption due to mechanical operation; that facilitate its automation and implementation in remote locations. Being one of the most used in the world by government agencies, airports, industries, universities and farmers, among others. However, despite the characteristics that have favored their expansion, they tend to present measurement errors that decrease their precision and reduce their advantages over other equipment.
- the methodology presented here is based on the characteristics of the equipment, so it can be adapted to any bucket rain gauge by modifying the initial parameters. Likewise, the process can be automated, implemented in a program or software, it allows real-time correction and reduces time. of the calibration. Furthermore, many of the required parameters are given by the manufacturer or can be easily measured.
- the objective of the invention is to reduce the errors generated by the variation in the intensity of precipitation and increase the precision in the measurement of precipitation in tipping bucket rain gauges or any instrument for measuring fluids based on the principle of tilting buckets.
- the method consists of the characterization of the behavior of the rain gauge mechanism and its interaction with the water collected by the funnel as a function of the intensity of precipitation based on its design characteristics such as: the collection area, the area of the outlet hole of the funnel, nominal tipping volume, droplet fall distance from the funnel, bowl fall distance during tipping, nominal sheet and bowl dimensions.
- This cycle powered by hydraulic energy, is repeated as long as there is precipitation.
- Each tilt is transmitted through an electrical pulse generated by a magnet anchored to the rocker that closes the circuit of a magnetic switch, to an information storage unit through a digital input; to be interpreted with a nominal tipping volume or precipitation sheet assigned to each tipping (generally static).
- This calibration can be applied once the initial parameters that condition its behavior have been obtained/known. It can be integrated into a calculation routine, a program or software for its automation and even implemented in the equipment itself to make a correction in real time.
- Figure 1 shows a simplified scheme of a tipping bucket rain gauge with its main components, where:
- FIG. 1 schematically shows some of the characteristics of the rain gauge used in the invention, where:
- Figure 3 schematically shows the representation of some parameters used by the invention, where:
- Rl Precipitation intensity. tu) Time that the bowl will be under the line of falling drops, which goes from the beginning of the tilt until the line of falling drops is in the dividing line between bowls. the) Time it will take for a particle of water to travel the distance between the base of the funnel orifice and the minimum point necessary to be placed in the movement path of the rocker arm and be collected by it. td) Time required for a particle of water to travel the distance between the base of the funnel orifice and the point of impact on the bowl. ts) Time that a water particle has to become surplus during tilting, resulting from the interaction between tu, the and td. g) Representation of the force of gravitational attraction. t t ) Cup fall time.
- Figure 4 shows the evolution of the precipitation layer associated with each tilt depending on the increase in precipitation intensity in two different bucket rain gauges, where:
- Figure 5 shows the results of the validation tests of the invention, contrasting the real values of 45 different observations with those obtained using different methodologies, where:
- the present invention refers to a method to increase the precision and reduce the errors generated by the variation of the intensity of precipitation in tipping bucket rain gauges or any instrument for the measurement of fluids based on the principle of tilting buckets.
- the method starts from the design characteristics of the rain gauge and the understanding of its operation considering the variation of the intensity of precipitation, unlike conventional calibration methods based on experimental procedures that require time and qualified personnel. Therefore, the proposed method is easily adaptable to any bucket rain gauge, simply by changing the initial parameters and allows its implementation in calculation routines or software for the automation of measurement correction, facilitating the process and reducing its implementation time.
- the method is based on the relationship between the excess water in the bowl during the rocker arm's falling movement, which generates an increase in the tilting volume, and a decrease in the nominal tilting volume and the rocker's falling time; caused by the kinetic energy of the water falling and impacting on East; either in the form of drops (at low intensities) or continuous jet (high intensities).
- the efficiency of the method is conditioned by: (i) the precision with which the necessary initial parameters are determined, (ii) a correct prior static calibration to set the nominal tipping volume at very low intensities, (iii) adequate leveling of the platform and (iv) the follow-up of the recommendations given by the manufacturers for the assembly and maintenance of the equipment.
- h is the distance between the funnel orifice and the impact zone of the water that falls into the bowl
- hb is the height of the bowls
- I is the linear distance between the upper central part of the wall that separates both cups and the line of fall of the drops
- h is the gravitational acceleration
- t t is the time of fall of the cup
- the surplus water will be given by the flow of water from the funnel and ts, since the flow will increase with the intensity of precipitation, the volume of surplus water will also increase with the intensity, however the water that falls provides kinetic energy to the balance of the rocker, energy that is increased with the increase in intensity, which generates the acceleration in the fall of the bowl and the decrease in the tilting volume, consequently the decrease in tu and the fall time of the bowl.
- the time of fall of the bowl must be measured at very low intensities (close to zero), so that no excess drop interferes with the movement.
- the determination of the decrease in tipping volume as a function of the increase in precipitation can be determined experimentally from the results contrasted with real measurements in the laboratory. Once the factors that influence the increase in the volume of water measured in each tilting, as well as its decrease, are known, a relationship is established between them that allows errors to be corrected based on the intensity of precipitation to increase the precision of a cup rain gauge. rockers. A simplification to the method is provided by means of a relationship between the decrease in the fall time of the bowl, the decrease in the excess water increase and the decrease in the tipping volume, with the increase in the intensity of precipitation for the direct correction to the nominal value. , can be applied:
- Dt' is the rate of increase of precipitation by tilting corrected expressed in depth of precipitation
- Dt is the rate of increase by nominal tilting or precision of the instrument in depth of precipitation
- Vt is the nominal volume of tilting
- Rl is the intensity of precipitation expressed as flow
- t t is the time of fall of the bowl.
- Dt' is the rate of increase of precipitation by tilting corrected expressed in depth of precipitation
- Dt is the rate of increase by nominal tilting or precision of the instrument in depth of precipitation
- Vt is the nominal volume of tilting
- Rl is the intensity of precipitation expressed as flow
- ts is the time that a water particle has to become surplus.
- the invention has been subjected to validation processes both in its general version and in its simplified versions and has been contrasted with traditional calibration techniques, obtaining similar satisfactory results, and even greater ones. error reductions, than conventional laboratory calibration methods and requiring less investment in time for its determination.
- This invention is of interest to companies dedicated to the manufacture of climate and environmental monitoring equipment, companies that provide climate management and monitoring software; and companies interested in climate and environmental monitoring. Mainly those sectors interested in the measurement of atmospheric precipitation and the management of water resources.
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Abstract
El método reduce errores de medida debidos a la variación en la intensidad de precipitación y caracteriza el comportamiento del mecanismo, en instrumentos para la medición de fluidos con cazoletas basculantes. Caracterizando la adición de excedentes durante el movimiento del balancín, el tiempo de caída de la cazoleta, su variación con la intensidad de precipitación y la disminución del volumen nominal de basculación. Mediante la relación entre el incremento de agua excedentaria y la reducción del volumen de basculación, causado por la variación del tiempo de caída del balancín y del empuje del agua. Este método es industrializable, reduce los errores de medición, de fácil implementación, automatizable y aplicable a cualquier equipo de cazoletas basculantes.
Description
DESCRIPCIÓN
MÉTODO PARA LA CORRECCIÓN DE ERRORES DE MEDICIÓN CAUSADOS POR LA INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN EN PLUVIÓMETROS DE CAZOLETAS BASCULANTES
SECTOR TÉCNICO
Este método esta relacionado con el sector de fabricación de equipos y de monitorización, referente a cuestiones climáticas y medioambientales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La medición de la precipitación atmosférica ha sido y continúa siendo muy importante para la humanidad, principalmente para entender y realizar un seguimiento del ciclo del agua en el planeta. Así, una de sus aplicaciones básicas se relaciona con la utilización del recurso hídrico, por lo que desde la antigüedad se tiene constancia de la implementación de instrumentos para su medición.
La medición de la precipitación es de interés en muchos campos, como la Agricultura, el regadío, el cambio climático, el peligro geológico, la monitorización hidrológica, la alerta temprana y prevención de inundaciones, seguridad alimentaria, la evaluación y gestión ambiental, el manejo de los recursos hídricos, diseño de estructuras, gestión de aeropuertos, calibración e implementación de múltiples métodos para la medición precisas de la cantidad de lluvia en distintos ámbitos entre otros. Por lo que a lo largo de la historia han surgido distintos dispositivos y técnicas orientadas a su medición.
Entre las más modernas, podemos mencionar: el pluviómetro ultrasónico, el pluviómetro de tipo flotador, el pluviómetro de pesaje, el registrador de lluvia de sifón, el dendrómetro, además de las tecnologías radar y de teledetección entre otros. Entre ellos, el pluviómetro de cazoletas basculantes destaca como uno de los más utilizados y extendidos, debido principalmente a su facilidad de producción, a su bajo coste y a su bajo consumo energético debido a funcionamiento mecánico; que facilitan su automatización e implementación en lugares remotos. Siendo uno de los más utilizados en el mundo por agencias gubernamentales, aeropuertos, industrias, universidades y agricultores, entre otros.
Sin embargo, pese a las características que han favorecido su expansión, suelen presentar errores en las mediciones que disminuyen su precisión y reducen sus ventajas frente a otros equipos. Entre los errores cabe destacar: los causados por la evaporación del agua en el mecanismo, debidos a la frecuencia de adquisición de datos; los humanos cometidos durante el montaje y mantenimiento; los llamados aleatorios, propios del mecanismo de funcionamiento, influencia del viento. Muchos de estos considerados poco significativos comparados con los ocasionados por la variación de la intensidad de precipitación, que producen una variación en el volumen de agua de cada basculación, frente a la asunción generalizada que considerara una lámina de precipitación nominal constante en cada basculación. Ello, genera una tendencia que infravalora la precipitación al aumentar su intensidad.
Los procedimientos de calibración actuales se refieren a calibraciones estáticas y calibraciones dinámicas. Las primeras las recomiendan los fabricantes de los pluviómetros y garantizan un volumen de basculación predeterminado, pero no resuelve el problema del efecto de la variación en la intensidad de precipitación. Las segundas, suelen realizarse en laboratorio y consisten en determinar una regresión entre las medidas del pluviómetro y la precipitación real aplicada, o con las medidas obtenidas por otros sensores más precisos (disdrómetros); otras utilizan procedimientos estadísticos y análisis experimentales entre algunos parámetros como la variación del tiempo entre basculaciones y la estimación del volumen de basculación. Estos métodos requieren experimentación, la mayoría no son aptos para la automatización, requieren equipos externos y necesitan mucho tiempo para su realización.
Debido a sus características y ventajas, estos pluviómetros tienen gran interés por parte de las empresas de fabricación de instrumental climático y medioambiental, así como del sector investigador. Además de existir una constante demanda por parte de los usuarios, para incrementar la precisión en la medición.
La metodología aquí presentada se basa en las características del equipo por lo que puede adaptarse a cualquier pluviómetro de cazoletas modificando los parámetros iniciales, asimismo se puede automatizar el proceso, implementar en un programa o software, permite la corrección en tiempo real y reduce el tiempo de la calibración.
Además, muchos de los parámetros requeridos vienen dados por el fabricante o pueden medirse de manera sencilla.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo de la invención es reducir los errores generados por la variación de la intensidad de precipitación e incrementa la precisión en la medición de la precipitación en pluviómetros de cazoletas basculantes o de cualquier instrumento para la medición de fluidos basado en el principio de las cazoletas basculantes. El método consiste en la caracterización del comportamiento del mecanismo del pluviómetro y su interacción con el agua recolectada por el embudo en función de la intensidad de precipitación a partir de sus características de diseño como: el área de recolección, el área del orificio de salida del embudo, volumen nominal de basculación, distancia de caída de las gotas desde el embudo, distancia de caída de la cazoleta durante la basculación, lamina nominal y las dimensiones de la cazoleta. Estas características condicionan la adición de excedentes de agua durante el movimiento de caída del balancín (generando un incremento en el volumen de basculación) y la disminución del volumen nominal de basculación y la reducción del tiempo de basculación, a efecto de la energía cinética del agua que cae sobre el balancín (ya sea en reposo o movimiento).
La tendencia de incremento del agua excedentaña con la intensidad de precipitación, frente a la compensación que genera la disminución en el volumen nominal de basculación por la acción del incremento en la energía cinética aportada por el fluido que cae y la reducción del tiempo de caída de la cazoleta, que a su vez reduce la tasa de incremento del agua excedentaña, permiten la corrección del volumen de agua que genera una basculación y su consecuente lámina de precipitación en relación con la intensidad de precipitación.
Este método se aplica a la reducción de errores en pluviómetros de cazoletas basculantes. Un tipo de pluviómetro muy utilizado en el mundo debido su simplicidad y bajo coste de fabricación, además de tener un consumo de energía bajo. Sin embargo, su fiabilidad en la medición de la precipitación es menor que en otros instrumentos, por lo que se han desarrollado una señe de métodos de calibración para reducir estos errores, no obstante, éstos generalmente requieren un procedimiento experimental largo y complejo.
En un pluviómetro de cazoletas la precipitación es recogida en forma liquida por un embudo, y se relaciona con el área de captación para obtener el volumen de agua recolectado en función de la lámina de lluvia. El agua cae por gravedad desde el embudo, a través de un orificio ubicado en la parte inferior de este, hasta el mecanismo de medición (balancín), formado por dos cazoletas basculantes. Una de ellas recibe el agua que cae e inicia un proceso de acopio de agua hasta que alcanza un volumen que rompe el equilibrio del balancín y provoca su basculación. Esta cazoleta desciende una distancia de caída desde su condición de reposo hasta impactar con los tornillos de calibración que detienen el movimiento, donde vierte el agua almacenada; con el mismo movimiento de caída, la otra cazoleta asciende para colocarse en la línea de caída del agua e iniciar su llenado para repetir el procedimiento.
Este ciclo, accionado por la energía hidráulica, se repite siempre y cuando haya precipitación. Cada basculación se trasmite a través de un pulso eléctrico generado por un imán anclado al balancín que cierra el circuito de un interruptor magnético, a una unidad de almacenamiento de información a través de una entrada digital; para ser interpretada con un volumen nominal de basculación o lamina de precipitación asignado a cada basculación (generalmente estático).
Durante el descenso de la cazoleta e incluso antes de su inicio, se producen varios procesos simultáneos dentro del mecanismo, que generan excedentes de agua mayores al volumen nominal que inicia la caída, por ejemplo, durante el movimiento de basculación sigue cayendo agua desde el embudo, parte de este agua cae en la cazoleta que está descendiendo, añadiendo agua al volumen nominal que rompió el equilibrio. Así también ocurren procesos contrarios, como el de la energía cinética aportada por el agua que cae sobre la cazoleta en movimiento, acelerando la caída y reduciendo el tiempo de caída del balancín o la energía aportada al equilibrio del balancín estático, que reduce el volumen necesario para la basculación; lo que provoca una compensación al incremento de agua excedentaria. Estos se relacionan directamente con el aumento de la intensidad de precipitación, lo que permite corregir el valor de basculación en función de ella y por ende, la precipitación medida.
El análisis del comportamiento del agua dentro del mecanismo del pluviómetro y su respuesta a las variaciones de intensidad de precipitación, junto con la determinación del tiempo de caída de la cazoleta y su variación, permiten obtener una relación entre
la fracción de incremento de agua excedentaria y la tasa de reducción del volumen nominal debido a la disminución del tiempo de caída del balancín y el incremento del empuje del agua que cae del embudo. Todo ello, permite conocer la variación del volumen de basculación en función de la intensidad de precipitación y en consecuencia aplicar una corrección a las mediciones de precipitación y reducir significativamente los errores de medición.
Esta calibración puede aplicarse una vez obtenidos/conocidos los parámetros iniciales que condicionan su comportamiento. Puede integrarse a una rutina de cálculo, un programa o software para su automatización e incluso, implementarse en el propio equipo para que realice una corrección en tiempo real.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
De manera complementaria a la descripción que se está realizando, con objeto de ayudar a una mejor comprensión, se acompaña como parte de dicha descripción, un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un esquema simplificado de un pluviómetro de cazoletas basculantes con sus principales componentes, donde:
1 ) Embudo colector
2) Orificio de drenaje del agua colectada por el embudo
3) Balancín, mecanismo basculante.
4) Cazoletas
5) Imán
6) Interruptor magnético normalmente abierto
7) Tornillos de parada
8) Rejillas de drenaje del agua acumulada en las cazoletas
9) Superficie colectora o superficie expuesta
10) Nivel de burbuja
La figura 2 muestra de manera esquemática algunas de las características propias del pluviómetro empleadas en la invención, donde:
11 ) Diámetro del embudo colector
12) Diámetro del Orificio de drenaje en el embudo
13) Distancia entre el orificio del embudo y la zona de impacto del agua que cae en la cazoleta.
14) Distancia mínima que deberá recorrer una partícula de agua tras su salida del embudo para ser colectada como excedente por las cazoletas en movimiento.
15) Distancia horizontal entre la línea de caída de agua desde el embudo y la parte central del balancín que divide ambas cazoletas en estado de reposo.
16) Representación del volumen de agua necesario dentro de la cazoleta para provocar su basculación. Volumen de basculación.
17) Altura de las cazoletas.
18) Distancia lineal de caída de las cazoletas.
La figura 3 muestra de manera esquemática la representación de algunos parámetros empleados por la invención, donde:
Rl) Intensidad de precipitación. tu) Tiempo que estará la cazoleta bajo la línea de caída de las gotas, que va desde el inicio de la basculación hasta que la línea de caída de las gotas esta en la divisoria entre cazoletas. the) Tiempo que le tomara recorrer a una partícula de agua la distancia entre la base del orificio del embudo y el punto mínimo necesario para colocarse en la trayectoria de movimiento del balancín y ser recolectada por este. td) Tiempo necesario por una partícula de agua para recorrer la distancia entre la base del orificio del embudo y el punto de impacto sobre la cazoleta. ts) Tiempo que tiene una partícula de agua para convertirse en excedente durante la basculación, resultante de la interacción entre tu, the y td. g) Representación de la fuerza de atracción gravitacional. tt) Tiempo de caída de la cazoleta.
Dt) Relación entre una basculación y la lámina de precipitación que esta representa.
La figura 4 muestra la evolución de la lámina de precipitación asociada a cada basculación en función del incremento de la intensidad de precipitación en dos pluviómetros de cazoletas distintos, donde:
19) Evolución en un primer pluviómetro, determinada mediante una calibración dinámica tradicional en laboratorio.
20) Evolución en un primer pluviómetro, determinada de acuerdo con la invención.
21 ) Evolución en un primer pluviómetro, determinado con el método simplificado de la invención.
22) Evolución en un segundo pluviómetro, determinada mediante una calibración dinámica tradicional en laboratorio.
23) Evolución en un segundo pluviómetro, determinada de acuerdo con la invención.
24) Evolución en un segundo pluviómetro, determinado con un método simplificado de la invención.
La figura 5 muestra resultados de las pruebas de validación de la invención, contrastando los valores reales de 45 observaciones diferentes con los obtenidos mediante distintas metodologías, donde:
25) Resultados obtenidos mediante una calibración dinámica tradicional.
26) Valor real medido.
27) Resultados obtenidos a través de la invención.
28) Resultados obtenidos mediante un método simplificado de la invención.
29) Asunción de un valor constante recomendado por los fabricantes.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
La presente invención se refiere a un método para incrementar la precisión y reducir los errores generados por la variación de la intensidad de precipitación en pluviómetros de cazoletas basculantes o cualquier instrumento para la medición de fluidos basado en el principio de las cazoletas basculantes. El método parte de las características de diseño del pluviómetro y la comprensión de su funcionamiento considerando la variación de la intensidad de precipitación, a diferencia de los métodos convencionales de calibración basados en procedimientos experimentales que requieren de tiempo y personal cualificado. Por ello, el método propuesto es fácilmente adaptable a cualquier pluviómetro de cazoletas, simplemente cambiando los parámetros iniciales y permite su implementación en rutinas de cálculo o software para la automatización de la corrección de las mediciones facilitando el proceso y reduce su tiempo de implementación.
El método se basa en la relación entre el excedente de agua en la cazoleta durante el movimiento de caída del balancín, que genera un incremento en el volumen de basculación, y una disminución del volumen nominal de basculación y del tiempo de caída del balancín; causados por la energía cinética del agua que cae e impacta sobre
este; ya sea en forma de gotas (a intensidades bajas) o de chorro continuo (intensidades altas).
La eficiencia del método queda condicionada a: (i) la precisión con la que se determinen los parámetros iniciales necesarios, (¡i) una correcta calibración estática previa para fijar el volumen nominal de basculación a intensidades muy bajas, (iii) una adecuada nivelación de la plataforma y (iv) el seguimiento de las recomendaciones dadas por los fabricantes para el montaje y mantenimiento de los equipos.
El agua caída en la cazoleta, una vez iniciado su movimiento, se considera como excedente del volumen nominal, por lo que el tiempo que tiene una gota o partícula de agua para convertirse en excedente (ts), vendrá dado por la suma del tiempo que toma a la gota o partícula de agua que desencadena el balanceo recorrer la distancia entre el orificio de drenaje del embudo y la zona de impacto en la cazoleta (td) y el tiempo que la cazoleta permanecerá bajo la línea de caída de agua tras iniciar su movimiento de caída (tu), que está condicionado por la variación del tiempo de caída de la cazoleta; menos el tiempo que necesitan las gotas o partículas de agua para caer una distancia suficiente para ser recolectadas por la pared que separa ambas cazoletas durante el movimiento de basculación:
En las fórmulas: h es la distancia entre el orificio del embudo y la zona de impacto del agua que cae en la cazoleta, hb es la altura de las cazoletas, I es la distancia lineal entre la parte central superior de la pared que separa ambas cazoletas y la línea de caída de las gotas, h es la aceleración gravitacional, tt es el tiempo de caída de la cazoleta, ht distancia lineal recorrida por la cazoleta durante su caída.
El agua excedentaria vendrá dada por el caudal de agua desde el embudo y ts, debido a que el caudal se verá incrementado con la intensidad de precipitación el volumen de agua excedentaria también se incrementará con la intensidad, sin embargo el agua que cae aporta energía cinética al equilibrio del balancín, energía que se ve incrementada con el incremento de la intensidad lo que genera la aceleración en la caída de la cazoleta y la disminución del volumen de basculación, por consiguiente la disminución de tu y del tiempo de caída de la cazoleta. Lo que se traduce en una disminución progresiva de la fracción de incremento de agua excedentaria en función de la intensidad de precipitación, que a su vez se ve menguada por la disminución progresiva del volumen de basculación, generando que a partir de algún punto la tasa de disminución del volumen de basculación sea mayor a la tasa de incremento del agua excedentaria generando a partir de ese punto una disminución del error en relación con el incremento de la intensidad de la precipitación, lo opuesto a lo que se veía en intensidades por debajo de ese punto, donde el error en la medición con referencia a un volumen de basculación constante incrementaba con la precipitación.
La reducción del error generalmente ocurrirá a intensidades muy altas y poco probables en precipitación, no obstante, el incremento del error en intensidades por debajo de este punto sigue una tendencia no lineal, debida a esta compensación.
El tiempo de caída de la cazoleta debe ser medido a intensidades muy bajas (próximas a cero), para que ninguna gota excedentaria interfiera con el movimiento.
Además, se recomienda realizar múltiples mediciones para incrementar la exactitud de la medida y reducir la variabilidad aleatoria propia del mecanismo. Así como en la pendiente de disminución del tiempo de caída de la cazoleta en función del incremento de la intensidad de precipitación, en ambas cazoletas.
La determinación de la disminución del volumen de basculación en función del incremento de la precipitación puede determinarse de manera experimental a partir de los resultados contrastados con mediciones reales en laboratorio. Conocidos los factores que influyen en el incremento del volumen de agua medido en cada basculación, así como en su disminución, se establece una relación entre estos que permite corregir los errores en función de la intensidad de precipitación para incrementar la precisión de un pluviómetro de cazoletas basculantes.
Se proporciona una simplificación al método mediante una relación entre la disminución del tiempo de caída de la cazoleta, la disminución del incremento de agua excedentaria y la disminución del volumen de basculación, con el incremento de la intensidad de precipitación para la corrección directa al valor nominal, puede aplicarse:
En la fórmula: Dt’ es la tasa de incremento de la precipitación por basculación corregida expresada en profundidad de precipitación, Dt es la tasa de incremento por basculación nominal o precisión del instrumento en profundidad de precipitación, Vt es el volumen nominal de basculación, Rl es la intensidad de precipitación expresada como caudal y tt es el tiempo de caída de la cazoleta.
Esta simplificación ha sido validada experimentalmente en laboratorio con dos modelos diferentes de pluviómetro de cazoletas, presentando valores semejantes a los obtenidos por un método general de calibración dinámica, requiriendo un menor número de parámetros iniciales y de experimentación para su aplicación. Debido a que la disminución del volumen de basculación por acción de la energía cinética del agua que cae es muy baja a intensidades bajas, siendo significativa a intensidades altas poco frecuentes en registros de precipitación, por lo que la anterior simplificación al método es aplicable a la medición de precipitación en pluviómetros de cazoletas, así como la siguiente simplificación al método:
En la fórmula: Dt’ es la tasa de incremento de la precipitación por basculación corregida expresada en profundidad de precipitación, Dt es la tasa de incremento por basculación nominal o precisión del instrumento en profundidad de precipitación, Vt es el volumen nominal de basculación, Rl es la intensidad de precipitación expresada como caudal y ts es el tiempo que dispone una partícula de agua para convertirse en excedente.
La invención ha sido sometida a procesos de validación tanto en su versión general como en las versiones simplificadas y ha sido contrastado con técnicas de calibración tradicionales, obteniendo resultados satisfactorios semejantes, e incluso mayores
reducciones de error, que los métodos convencionales de calibración en laboratorio y demandando una menor inversión en tiempo para su determinación.
Además, se han probado en pluviómetros de cazoletas en condiciones reales de campo, realizando la calibración de los datos, aplicando la invención de manera automática mediante un software diseñado con este fin de manera satisfactoria.
APLICACIÓN INDUSTRIAL
Esta invención es de interés para las empresas dedicadas a la fabricación de equipos de monitoreo climático y medioambiental, empresas proveedoras de software de manejo y monitoñzación climática; y empresas interesadas en la monitorización climática y medioambiental. Principalmente aquellos sectores interesados en la medición de la precipitación atmosférica y la gestión de los recursos hídricos.
Claims
1 . Un método para la corrección de errores en las mediciones causados por la variación de la intensidad de precipitación y el incremento de la precisión de medición en pluviómetros de cazoletas basculantes, compuestos por un embudo colector (1 ) que dirige el agua hacia un orificio de salida (2) desde el que cae a un mecanismo basculante (3), compuesto por cazoletas opuestas (4), cuyo movimiento está condicionado a un volumen de fluido acumulado en relación con la precipitación, agua o fluido aportado desde el exterior, a partir de parámetros propios del equipo que permiten determinar la relación existente entre la adición de agua excedentaria en la cazoleta antes y durante su movimiento de caída y el incremento de la intensidad de precipitación (Rl) así como la relación de esta última con la disminución del volumen nominal de basculación (Vt) y la disminución del tiempo de caída de la cazoleta (tt); caracterizado por que comprende los siguientes pasos: a) un primer paso que caracteriza el comportamiento del pluviómetro en relación con la variación de la intensidad de precipitación (Rl) y determinación del volumen de excedentes de agua añadidos durante el proceso de medición y basculación; donde este primer paso comprende los siguientes sub-pasos: a1 ) excedentes de agua aportados por la gota de agua desencadenante del balanceo en el intervalo de intensidades donde el agua cae del embudo en forma de gotas, debido a la variación del tamaño de gota cuyo volumen puede exceder el necesario para que rompa el equilibrio del balancín y el agua excedentaria añadida durante la basculación; a2) determinación del tiempo que una gota o partícula de agua tiene para caer en la cazoleta y convertirse en excedente (ts) dado por: aa) el tiempo que toma a la gota o partícula de agua que desencadena el balanceo recorrer la distancia entre el orificio de drenaje del embudo y la zona de impacto en la cazoleta (td), ab) el tiempo que la cazoleta permanecerá bajo la línea de caída de agua tras iniciar su movimiento de caída, condicionado por la variación del tiempo de caída de la cazoleta (tu) y ac) el tiempo que necesitan las gotas o partículas de agua para caer una distancia suficiente para ser recolectadas por la pared que separa ambas cazoletas durante el movimiento de basculación (the); donde esta relación de tiempo se describe por una ecuación seleccionada entre una primera ecuación
y una segunda ecuación
b) un segundo paso para determinar el tiempo de caída de la cazoleta (tt) y su evolución con respecto al incremento de la intensidad de precipitación (Rl); donde este segundo paso comprende los siguientes sub-pasos: b1 ) determinación del tiempo de caída de la cazoleta (tt) a intensidades muy bajas próximas a cero para evitar la influencia de la caída de gotas en esta; b2) determinar la variación del tiempo de caída de las cazoletas (tt) en función de la intensidad de precipitación (Rl) o en su caso la pendiente de disminución de esta; donde la corrección de la medición puede describirse por una ecuación seleccionada entre una tercera ecuación (Dt’)
y una cuarta ecuación (Dt’)
c) un tercer paso para la determinación de la disminución del volumen de basculación (Vt) en función del incremento de la intensidad de precipitación (Rl); donde este tercer paso comprende los siguientes sub- pasos: c1 ) obtención de los valores del volumen de basculación (Vt) a partir de su relación con los resultados descritos u obtenidos según los pasos a y b; c2) determinación de la variación del volumen de basculación (Vt) en relación con el incremento de la intensidad de precipitación (Rl); donde
(h) es la distancia entre el orificio del embudo y la zona de impacto del agua que cae en la cazoleta;
14
(hb) es la altura de la pared que separa las cazoletas;
(I) es la distancia lineal entre la parte central superior de la pared que separa ambas cazoletas y la línea de caída de las gotas;
(ht) es la distancia lineal recorrida por la cazoleta durante su caída;
(g) es la aceleración gravitacional;
(Dt) es la relación entre una basculación y la lámina de precipitación que esta representa ;
(Dt’) es la tasa de incremento de la precipitación por la basculación corregida.
2. Un método simplificado para la corrección de errores en las mediciones de pluviómetros de cazoletas basculantes de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por la relación entre la variación del tiempo que disponen las partículas de agua para caer en la cazoleta y convertirse en excedentes (ts), según lo expresado en la reivindicación 1 y la variación de la intensidad de precipitación (Rl) o caudal del fluido por el orificio del embudo; donde dicha relación se describe por la tercera ecuación Dt’:
3. Un método simplificado para la corrección de errores en las mediciones de pluviómetros de cazoletas basculantes de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado por la relación entre la variación del tiempo de caída de la cazoleta (tt), según lo expresado en la reivindicación 1 y la variación de la intensidad de precipitación (Rl) o caudal del fluido por el orificio del embudo donde dicha relación se describe por la cuarta ecuación Dt’:
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| ES202030968A ES2831899B2 (es) | 2020-09-25 | 2020-09-25 | Metodo para la correccion de errores de medicion causados por la intensidad de precipitacion en pluviometros de cazoletas basculantes |
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